§ 3.2 Детонационная стойкость топлив

Детонационная стойкость топлива характеризует его способность сгорать в двигателе с принудительным воспламенением без дето­нации.

Детонация. Детонационное сгорание является одним из наиболее часто встречающихся видов аномального сгорания рабочей смеси в двигателях с принудительным воспламенением. Процесс детонации заключается в том, что некоторая часть смеси нагревается до температуры, превышающей температуру самовоспламенения, раньше, чем до нее дойдет фронт пламени от очага воспламенения. Возника­ющее при этом самовоспламенение может приобретать взрывной ха­рактер и распространяться со сверхзвуковой скоростью в виде детонационной волны по несгоревшей части смеси. Выделяющаяся при этом энергия вызывает дальнейшее ускорение волны.

Скорость распространения детонационной волны определяется термодинамическими характеристиками смеси (теплотой реакции, теплоемкостью и пр.). Во фронте волны практически мгновенно повышаются температура и давление. При этом выгорает не вся, а наиболее подготовленная к сгоранию часть смеси. Это создает ус­ловия для неоднократного прохождения волны по одному и тому же месту (рис. 3.18), так как в интервале между двумя последовательными волнами несгоревшие порции смеси успевают пройти предпламенную подготовку.

П ричина возникновения детонации заключается в том, что в период сжатия смеси в цилиндре под действием высокой температуры и давления возникает термическая диссоциация и частичное окисление молекул углеводородов. В результате образуются химически неустойчивые, разрушающиеся с выделением энергии соединения гидропероксиды. Реакция разрушения гидропероксидов является самоускоряю­щейся (автокаталитической). Продукты реакции служат основой для образо­вания новых молекул гидропероксидов. Чем ниже термическая стабильность топлива и чем больше времени горючая смесь находится под воздействием повы­шенных давлений и температур, тем больше количество образовавшихся неустойчивых соединений. Толчком к их самовоспламенению служит повышение давления и теплота, получаемая лучеиспусканием от фронта пламени (который еще не дошел до этих веществ). Таким образом, причиной детонационного сгорания топлива является распад образующихся при окислении топлива не­устойчивых соединений, обладающих большим запасом энергии.

В нешним проявлением детонации является звонкий ме­таллический стук высоких тонов, возникающий из-за отражения де­тонационных волн от стенок камеры сгорания. Слабые детонационные стуки в двигателе могут прослушиваться при ско­рости волн 1400—1500 м/с, что соответствует повышению давления в их фронте в 1,4— 1,5 раза. При развитой детонации скорость волн может достигать 2500 м/с. Детонационные волны разрушают пограничный слой газа на стенках камеры сгорания и цилиндра, что увеличивает теплоотдачу к ним и вызывает перегрев двигателя. Установлено, что работа двигателя с детонацией увеличивает износ деталей цилиндропоршневой группы, вкладышей и шеек коленчатого вала. Интенсивная детонация может вызвать разрушение поршней (рис. 3.19), колец и головки блока, поэтому работа двигателя в режиме детонации должна быть исключена.

На развитие детонации наряду со свойствами топлива оказывают влияние конструктивные особенности двигателя и условия его эксплуатации. При прочих равных условиях вероятность возникновения детонации уменьшается:

при уменьшении времени сгорания смеси в цилиндре (что имеет место, например, при уменьшении диаметра цилиндра и увеличении макро- и микротурбулизации заряда);

при снижении температуры и давления смеси в конце сжатия (на­пример, при уменьшении степени сжатия или наддува);

при улучшении теплоотвода от камеры сгорания (например, при заме­не чугунных головок блока и поршней на алюминиевые).

По составу смеси наименьшей дето­национной стойкостью обладают слабо обедненные смеси. При обогащении смеси ее детонационная стойкость возрастает, что объясняется главным образом снижением температуры конца сжатия из-за испарения большего (по сравнению с обедненной смесью) количества топлива. Значительное обеднение смеси также приводит к увеличению ее детонационной стойкости, что объясняется уменьшением средних температуры и давления цикла.

При эксплуатации двигателя для уменьшения вероятности возникновения детонации следует:

уменьшить угол опережения зажигания (при этом неизбежно ухудшается динамика тепловыде­ления в цилиндрах, что обусловливает потерю мощности и эко­номичности, а также возможность перегрева двигателя),

обогатить горючую смесь и обеспечить режим работы двигателя с минималь­ным использованием полной мощности и по возможности плавным ее регулированием.

При длительной эксплуатации двигателя на низкооктановом топливе нужно уменьшить степень сжатия, что осуществляют путем установки соответствующих элементов конструкции двигателя, вы­пускаемых заводом-изготовителем.

Для уменьшения степени сжатия нельзя увеличивать объем ка­меры сгорания путем выборки части металла с ее внутренних повер­хностей (головки блока или поршней), а также применением «футеровок», устанавливаемых в отверстия для свечей. И то и другое может привести к аварийным разрушениям двигателя. Следует ука­зать, что по мере износа цилиндропоршневой группы двигателя тем­пература и давление в конце сжатия уменьшаются, что снижает требования по детонационной стойкости топлива.

К явлениям, связанным с детонацией, относится калильное зажигание.

Под калильным зажиганием понимают неуправляемое воспламе­нение рабочего заряда, инициируемое раскаленным телом. Калильное зажигание зависит от свойств топлива и в определяющей степени oт его детонационной стойкости (чем выше детонационная стойкость, тем менее вероятно возникновение калильного зажигания). В зависимости от вида инициатора воспламенения различают зажигание тлеющим нагаром и перегретыми деталями.

Зажигание тлеющим нагаром возникает при переходе двигателя с режима малых нагрузок, способствующих накоплению нагара в камере сгорания, на режим больших нагрузок, способствующих ус­транению нагара. Отделяющиеся при этом раскаленные частицы на­гара являются инициаторами воспламенения смеси. В результате увеличиваются скорость распространения пламени, температура и давление в камере сгорания, жесткость работы двигателя. Внешне это проявляется в виде глухого рокочущего стука. Такое явление длится относительно недолго — не более нескольких десятков секунд, в течение которых происходит выгорание нагара. Однако его пос­ледствиями могут быть перегрузки деталей кривошипно-шатунного механизма, перегрев двигателя и ухудшение динамики разгона ав­томобиля.

Особенностью зажигания тлеющим нагаром является его взаимодействие с детонацией. Детонационные волны механическим путем снимают нагар со стенок камеры сгорания, вызывая тем самым калильное зажигание. Вследствие происходящего при этом увеличения скорости сгорания смеси детонация прекращается, а за­тем вновь начинается после выноса частиц нагара. Это явление периодически повторяется и поэтому носит название перемежающей­ся детонации.

Иная физическая картина имеет место при калильном зажигании перегретыми деталями. В отличие от зажигания тлеющим нагаром, которое прекращается по мере его выгорания, этот вид воспламе­нения характеризуется прогрессивным самоусилением. Причиной самоусиления является повышение температуры газа в цилиндре (так как горячие продукты дополнительно сжимаются поршнем) и увеличение времени пребывания в нем горячих газов. Это приводит к тяжелым повреждениям конструкции (например, прогару порш­ней). Работа двигателя в режиме детонации способствует перегреву отдельных элементов конструкции камеры сгорания, которые стано­вятся источниками калильного зажигания. Обычно источниками калильного зажигания перегретыми деталями являются центральные электроды и «юбочки» изоляторов свечей (реже выпускные клапаны). Интенсивность калильного зажигания увеличивается при наличии в нагаре оксидов металлов, входящих в состав антидетонаторов, поэто­му двигатели, работающие на этилированных бензинах, обладают повышенной склонностью к калильному зажиганию перегретыми де­талями.

Склонность свечи к перегреву оценивается с помощью калильного числа (КЧ), которое зависит от соотношения между скоростями подвода теплоты от горячего газа к центральному электроду и «юбочке» изолятора и отвода его в окружающую среду (в головку цилиндра и в воздух). Чем короче выступающая в камеру сгорания часть изолятора, тем меньшее количество теплоты получает свеча.

Ч ем больше поверхность контакта свечи с головкой (больше длина и диаметр резьбовой части) и выше коэффициент теплопро­водности материала изоля­тора, тем интенсивнее отводится теплота от све­чи. И то и другое ведет к уменьшению КЧ свечи.

На рис. 3.20 показаны «горячая» (а) и две «хо­лодные» (б, в) свечи. Величину КЧ подбирают для данного двигателя из двух взаимно противопо­ложных условий: ис­ключения возможности калильного зажигания на теплонапряженных режи­мах (нужно низкое КЧ) и обеспечение на минимальных режимах температуры конца «юбочки» и центрального изолятора не ниже 400°С во избежание их закоксовывания (нужно достаточно высокое КЧ). Особенно трудно удовлетворить этим требованиям в теплонапряженных двигателях, работающих на топливах, содержащих большое количество аро­матических углеводородов и обладающих, с одной стороны, высокими температурами пламени, а с другой — повышенной склонностью к образованию нагара.

Основную роль в обеспечении работы двигателя без детонации играет детонационная стойкость топлива, оцениваемая его октановым числом (ОЧ). Чем выше ОЧ используемого топлива, тем при прочих равных условиях менее вероятно возникновение детонации.

Октановое число. Октановое число топлива есть условная единица измерения его детонационной стойкости, численно равная процентному (по объему) содержанию изооктана в смеси с нормаль­ным гептаном в эталонной смеси (эталонном топливе), эквивалент­ной по детонационной стойкости данному топливу при стандартных условиях испытания. Детонационную стойкость изооктана принима­ют равной 100. Детонационную стойкость гептана принимают равной нулю. Варьируя содержание этих компонентов в эталонной смеси, можно изменять се детонационную стойкость в диапазоне от 0 до 100. Например, если в эталонной смеси содержится по объему 76 % изооктана и 24 % гептана, то ОЧ такой смеси равно 76.

В зависимости от условий испытаний топлив различают мотор­ный и исследовательский методы определения ОЧ.

Моторный метод имитирует работу двигателя на форсированных режимах при достаточно больших и длительных на­грузках, характерных для междугородного движения транспорта; исследовательский метод — при меньших нагрузках, харак­терных для внутригородского движения. Полученные различными методами значения ОЧ отличаются друг от друга, поэтому в их обозначения вводят соответствующие индексы: ОЧМ — октановое число, полученное по моторному, ОЧИ — октановое число по иссле­довательскому методу.

Разность между ОЧИ и ОЧМ называют чувствительностью бензина. Эта величина характеризует возможные отклонения дето­национной стойкости бензина в реальных условиях эксплуатации от стойкости, определенной лабораторными методами.

Значения ОЧМ и ОЧИ определяют на лабораторных двигателях в условиях, отличных от эксплуатационных. При испытаниях реаль­ных двигателей определяют фактическую детонационную стойкость бензина — фактическое ОЧ (ФОЧ), характеризующее детонаци­онную стойкость топлива при работе двигателя в заданных условиях испытаний. Обычно ОЧМ < ФОЧ < ОЧИ. При очень тяжелых режи­мах работы двигателя возможно ФОЧ < ОЧМ, при очень легких — ФОЧ > ОЧИ.

Оптимальной по мощностным и экономическим показателям является работа двигателя на режиме, соответствующем ФОЧ? О_о. Систе­мы автоматического регулирования современных ДВС не обеспечива­ют такой возможности. Разработаны и находятся в опытной эксплуатации системы управления от датчика детонации (детонометра), автоматически настраивающие работу двигателя на режимы, соответствующие ФОЧ. Внедрение в практику таких систем позволит использовать в двигателе топлива с различными ОЧ.

В современных бензинах ОЧ высококипящих фракций больше, чем ОЧ низкокипящих (рис. 3.21 и 3.22). Пока двигатель работает на постоянном режиме, в его цилиндры поступает примерно одина­ковое количество газа и жидкой пленки, поэтому ОЧ топлива в цилиндрах приблизительно соответствует исходному ОЧ. При резком открытии дроссельной заслонки газ обгоняет жидкую пленку. Рабо­чая смесь обогащается низкокипящими углеводородами и ОЧ умень­шается по сравнению с ОЧ исходного топлива. Это является причиной детонации, возникающей при резком открытии дроссельной заслонки. Для учета этого явления в лабораторных условиях опре­деляют ОЧ топлива при отводе от него отдельных высококипящих фракций, т.е. имитируют фракционирование топлива. Такой метод определения ОЧ называют методом распределения, а полученные ОЧ — октановыми числами распределения (ОЧР).

Групповой состав углеводородов, входящих в топливо, оказывает определяющее влияние на его детонационную стойкость. Алканы изостроения (изоалканы) по сравнению с нормальными алканами обладают более высокой детонационной стойкостью.

Непредельные углеводороды имеют несколько большую по сравнению с алканами детонационную стойкость. Ароматические углеводороды характеризу­ются наибольшей детонационной стойкостью.

Высоким ОЧ обладают алкилированные ароматические углеводо­роды с короткими радикалами (метильными, этильными, изопропильными). Цикланы по термической стабильности занимают промежуточное положение между алканами и ароматическими угле­водородами. Варьируя группой состав топлива, можно эф­фективно повышать его ОЧ.

Улучшение детонационной стойкости бензинов. Современные технологические процессы (например, риформинг) позволяют полу­чать базовые бензины с достаточно высокими октановыми числами (ОЧМ 75 — 80 и ОЧИ 80 — 90). Однако требования повышения эко­номической эффективности производства бензина и эксплуатации ДВС во многих случаях обусловливают необходимость дополнитель­ного увеличения ОЧ базовых бензинов. Решают эту задачу, добавляя в бензин высокооктановые компоненты и вводя антидето­национные присадки.

В качестве высокооктановых, т.е. имеющих хорошие антидетонационные свойства, компонентов используют отдельные продукты нефтепереработки и ряд синтетических веществ (табл. 3.6).

Наиболее распространенным компонентом является гоэобый (я'н;шн, представляющий собой смесь низкокипящих (33—103 °<'» углеводородов нефтяного происхождения. XD

Наиболее распространенным компонентом является газовый бензин, представляющий собой смесь низкокипящих (33 – 103°С) углеводородов нефтяного происхождения.

Среди высокооктановых компонентов большое практическое зна­чение имеет метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). При добавлении к бензину 10 % МТБЭ ОЧИ возрастает в среднем на 2 — 6 единиц, при 20%—на 4—13 единиц. Этот компонент неограниченно рас­творяется в бензине и совместим практически со всеми материалами, контактирующими с топливом. Введение МТБЭ в бензин помимо повышения 0Ч придает топливу такие положительные свойства, как снижение неравномерности распределения 0Ч по фракциям (T_кип МТБЭ = 55 °С), уменьшение склонности к нагарообразованию, снижение концентрации оксида углерода и углеводородов в отрабо­тавших газах. МТБЭ практически безвреден для организма человека. Всесторонние испытания бензинов с МТБЭ показали высокие экс­плуатационные свойства этих топлив.

Таблица 3.6

Компонент	ОЧИ	ОЧМ	Компонент	ОЧИ	ОЧМ
Бутановая фракция	94	89	Алкил бензин (ши­рокая фракция алкилата)	90-94	88 — 92
Изобутановая фракция	101	97	Толуол	115	103
Изопентановая фракция	93	90	Пиробензол	102	8»
Пентан-пентеновая фракция	90	87	Алкилбензол	107	100
Газовый бензин	89	86	Изооктан технический	100	100
Диизобутилен	100	88	Изомсризат	81 —87	79 — 85
Полимербензин	100	85	Метил-трет-бутиловый эфир	117	101
Алкилат	92	90	Метиловый спирт	114	95
			Этиловый спирт	111	94

Эффективным средством повышения ОЧ топлива является добав­ка ароматических аминон, на базе которых разработана высокоок­тановая добавка к бензинам — экстралин (смесь анилина, монометиланилина и диметиланилина). Проводятся исследования по применению в качестве высокооктановых компонентов товарных бензинов трет-бутанолового спирта и диметилового эфира.

Достаточно широкое современное промышленное использование и большие перспективы применения имеют добавки к топливам спиртов — метанола и этанола. Применение этих добавок обеспечивает экономию нефтяных ресурсов, позволяет улучшить ряд качественных показателей ДВС, также создает условия для широкого практического внедрения перспективных альтернативных топлив. Подробно свойства спиртов применительно к использованию их в качестве основного топлива для ДВС изложены ниже (см. § 4.3).

С учетом сырьевой базы и технико-экономических условий изго­товления в качестве перспективной добавки к бензинам рассматрива­ют метанол. Добавка метанола к бензину (бензометанольные смеси — БМС) является реальной при современном уровне развития автотранспортной техники и может рассматриваться как промежуточный этап к переходу на чистый метанол. Это сокращает период задержки воспламенения и время сгорания топлива, уменьшает теплоотвод из зоны реакции, расширяет пределы обеднения смеси и увеличивает, как показано ниже, 0Ч топлива, табл. 3,6, а.

Таблица 3.6а

Октановое число	Бензин	Бензин+5% метанола	Бензин+10% метанола
ОЧИ	91,8	93,9	96,1
ОЧМ	83,5	84,9	85,1

Вследствие перечисленных обстоятельств увеличивается эффективный КПД и мощность двигателя и уменьшается токсичность отработавших газов. Наряду с этим добавка метанола к бензину ведет к снижению теплоты сгорания горючей смеси, что ведет к увеличению массового расхода топлива. Например, при добавлении 15 % метанола:

эффективный КПД двигателя возрастает на 10 %,

мощность возрастает на 8 %,

удельный расход энергии на единицу мощности двигателя уменьшается на 14 %,

концентрация СО в отработавших газах уменьшается в среднем в 3 раза,

удельный массовый расход топлива возрастает на 12 % при фактической массовой экономии бензина до 13 %.

В результате широкомасштабных опытно-промыш­ленных работ установлена и нашла широкое применение оптималь­ная БМС, содержащая от 10 до 17% метанола (БМС с 15 % метанола имеет обозначение М15). Как и при работе на чистом метаноле, использование БМС связано с рядом недостатков, ме­роприятия по преодолению которых см. в § 4.3.

В США и Канаде под фирменным названием «Газохол» исполь­зуют бензоэтанольные топлива, содержащие до 20 % денатурирован­ного этилового спирта.

Из-за большой гигроскопичности спиртов бензометанольные и бензоэтанольные смеси обладают склонностью к расслоению (вода увеличивает разность в плотностях бензина и спирто-водяного рас­твора), значительно возрастающей с понижением температуры (при увеличении содержания воды с 0,2 до 1 % температура расслоения БМС М15 повышается с – 20 до +10 °С). Расслоение также увеличивается при утяжелении фракционного состава нефтяного топлива и увеличении относительного количества спирта (наименее стабильны БМС, содержащие от 20 до 50 % метанола). Для стабилизации смесей используют присадки, из которых наиболее распространены изопропанол, гексанол, изобутанол и бутанол. Например, введение в смесь М15 5—7% бутанола понижает температуру расслоения до -30 °С. Использования относительно до­рогих стабилизаторов расслоения можно избежать при применении добавок спирта в двухтопливных системах подачи. Добавка спиртов к дизельным топливам (до 15 % метанола или до 20 % этанола) улучшает их низ­котемпературные свойства. Такие смеси условно можно рассматривать как раз­новидность топлив широкого фракционно­го состава. При их использовании следует учитывать уменьшение цетанового числа, вязкости и плотности дизельного топлива, обусловливаемые добавкой спирта.

О дним из способов повышения ФОЧ топлива является добавка воды (ДВ) в го­рючую смесь. С этой целью ДВ применя­лась во время Великой Отечественной войны в авиационных ДВС. Антидето­национный эффект ДВ заключается в уменьшении температуры конца сжатия за счет испарения воды (теплота парообразо­вания воды 2235 кДж/кг, бензина — 300 кДж/кг). В среднем добавка каждых 10 % (об.) воды увеличивает ОЧ топлива на 2 —3 единицы. При этом концентрация оксидов азота уменьшается на 10—15%.

На рис. 3.23 приведен график, харак­теризующий изменение ФОЧ в зависимости от количества ДВ. Из рис. 3.23 следует, что еще больший по срав­нению с водой антидетонационный эффект дает впрыск водно-спиртовых смесей и спирта.

Наряду с подавлением детонации вода уменьшает температуры наиболее теплонапряженных деталей двигателя, устраняя возмож­ность возникновения калильного зажигания. Благодаря уменьшению тепловых потерь несколько возрастает индикаторный КПД. При ДВ максимальное давление цикла уменьшается, а среднее остается практически неизменным, что снижает жесткость работы двигателя.

При добавке воды до 10 % мощность двигателя остается практически неизменной. С дальнейшим увеличением ДВ начинается плавное падение мощности. Из-за снижения при ДВ средней тем­пературы цикла увеличивается время сгорания смеси и ухудшается динамика тепловыделения. При использовании ДВ в ДВС со степе­нями сжатия больше 7 на отдельных режимах работы возможно некоторое изменение топливной экономичности (повышение при на­грузках, близких к максимальным, и ухудшение на холостом ходу). Это объясняется снижением давления и температуры конца сжатия, сопровождающимся уменьшением работы, затрачиваемой в цикле сжатия, увеличением количества рабочего тела, каталитическим действием воды на процесс сгорания (повышается полнота сгорания) и уменьшением тепловых потерь в системе охлаждения.

Применение ДВ к бензинам позволяет снизить токсичность отра­ботавших газов по оксидам углерода и азота. Наряду с этим вследствие снижения температуры газа в пристеночных слоях камеры сгорания может увеличиваться содержание углеводородов в отрабо­тавших газах.

В карбюраторных двигателях на отдельных режимах при работе с ДВ отмечается неустойчивость сгорания. Это объясняется, в част­ности, недостаточностью существующих систем подогрева впускного такта для испарения воды. Для ДВ должна использоваться только дистиллированная вода. Вода может вводиться либо путем впрыска во впускной тракт (в этом случае используется двухтопливная систе­ма), либо в смеси с топливом. В первом случае на эффективность ДВ большое влияние оказывает место впрыска и организация рас­пыла воды. Вода в смеси с топливом подается в двигатель в виде бензо-водяных эмульсий (БВЭ).

Применение БВЭ ограничивается их недостаточной стабильно­стью. Для стабилизации БВЭ вводят присадки, обладающие повер­хностно-активными свойствами — эмульгаторы. Качество эмульсии зависит от метода ее образования. Для получения эмульсий исполь­зуют диспергаторы различных типов. БВЭ можно использовать как в двигателях с принудительным воспламенением, так и дизелях. Применение БВЭ в дизелях улучшает смесеобразование (за счет дополнительного дробления топлива парами перегретой воды) и снижает тепловую напряженность процесса, что дает возможность дополнительно форсировать двигатель, например, путем увеличения давления наддува. При работе дизеля на БВЭ увеличивается период задержки воспламенения и скорость нарастания давления при умень­шении максимальных давлений и температуры цикла. Соответственно несколько ухудшаются пусковые характеристики двигателя. При использовании БВЭ уменьшается закоксовывание топливоподающей системы дизеля (отмечено, что относительно кратковременная работа дизеля на БВЭ уменьшает количество отложений, образовавшихся ранее). В отработавших газах дизеля снижается концентрация оксидов азота и сажи.

К общим для всех типов двигателей недо­статкам применения ДВ относят возможность отложения накипи в камере сгорания, усиленный коррозионный износ цилиндропоршневой группы и образование низкотемпературных отложений. Попа­дание воды в масло вызывает ухудшение его свойств и интенсивное пенообразование в картере двигателя.

Использование антидетонационных добавок в двухтопливных системах питания. В эксплуатации необходимое для бездето­национной работы ОЧ топлива изменяется в зависимости от режима работы двигателя от максимального при полной нагрузке до минимального на холостом ходу. Следовательно, назначение ОЧ топлива осуществляется из условия исключения детонации на режиме полной нагрузки, а на остальных режимах имеется избыток по дето­национной стойкости топлива. Учитывая относительно высокие производственные и сырьевые затраты на изготовление высокоокта­новых топлив и добавок, целесообразно иметь возможность изменять ОЧ топлива в зависимости от режима работы двигателя. Такая возможность обеспечивается двухтопливными системами питания. При этом одна система предназначена для подачи в двигатель относительно низкооктанового (следовательно, и более дешевого) топлива с ОЧ примерно на 10—12 единиц ниже, чем необходимо для однотопливной системы, другая — для введения добавок, повы­шающих ОЧ топлива до необходимой величины на соответствующих режимах работы двигателя. В двухтопливных системах могут быть использованы практически все высокооктановые компоненты, а так­же вода в качестве добавки, подавляющей детонацию.

Для повышения детонационной стойкости бензинов большое рас­пространение получили присадки — антидетонаторы, в качестве которых используют металлоорганические соединения различных ме­таллов (свинца, марганца, железа, хрома и др.). Механизм действия антидетонаторов заключаются в подавлении детонации ме­таллическими продуктами их распада. Эти продукты в предпламенный период реагируют с радикалами термически неустойчивых углеводородов, препятствуя образованию гидропероксидов, т.е. антидетонаторы являются ингибиторами предпламенного окисления углеводородных топлив. Наряду с этим свободный химически активный металл взаимодействует с уже образовавшимися гидропероксидами, вызывая их разрушение. Даже малые количества активного металла действуют достаточно эффективно, так как обра­зование гидропероксидов идет по цепному механизму.

Наибольшая эффективность антидетонатора обеспечивается, если температуры начала термического распада топлива и антидетонатора близки. Свойство индивидуального углеводорода или топлива повышать ОЧ при добавлении антидетонаторов называют его приемистостью.

Наиболее распространенным антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) Pb(C₂H₅)₄ — бесцветная, прозрачная, хорошо рас­творимая в углеводородах жидкость (t_кип = 200^oС; p₂₀ ⁼ 1652 кг/м³ ).

Эффективность ТЭС зависит от группового состава топлива. Наибольшей приемистостью к ТЭС обладают алканы, наименьшей — непредельные и ароматические углеводороды. Нафтены занимают промежуточное положение. Практически для всех углеводородов (исключая ароматические) приемистость к ТЭС снижается при увеличении их собственного ОЧ. Механизм воздействия ТЭС на детонацию носит каталитический характер, поэтому для получения желательного эффекта достаточно ввести в бензин относительно не­большие количества этого антидетонатора (менее 1 %). При увеличении количества ТЭС в топливе его приемистость к антиде­тонатору снижается. По этой причине, а также вследствие высокой токсичности ТЭС его содержание в автомобильных бензинах не дол­жно превышать 0,5 г/кг.

Важной задачей при разработке антидетонаторов является выве­дение образующихся оксидов металла из цилиндра двигателя. Это обеспечивается путем добавления к антидетонатору специальных ве­ществ — выносителей. Выносители разработаны для свинца и мар­ганца. Антидетонаторы на основе железа, несмотря на их относительно высокую эффективность, не находят практического применения, так как для них не найдено эффективных выносителей. В качестве выносителей для ТЭС используют галоидноорганические (хлористо-бромистые и бромистые) соединения, среди которых наибо­лее распространен бромистый этил С2Н5ВГ, (температура кипения 34,4 С, давление насыщенных паров 53 200 Па при 20 °С). Реакции, обусловливающие вынос оксидов свинца из камеры сгорания, про­ходят по схеме С₂Н₅Вr = C₂H₄ + НВr (разложение бромистого этила); РbО + 2НВг – РbВr₂ + Н₂О; Pb + 2НВr – РЬВr₂ + Н₂. Образующиеся галоидные соединения свинца обладают относительно низкой температурой плавления (500 °С) и кипения, и в парообраз­ном состоянии выносятся с отработавшими газами.

Смесь ТЭС с выносителем называют этиловой жидкостью, а топливо с этиловой жидкостью — этилированным. Соотношение выносителя к антидетонатору в этиловой жидкости выбирают таким образом, чтобы обеспечить гарантированный вынос из цилиндра всего образующегося свинца, т.е. с некоторым избытком выносителя. Этиловая жидкость представляет собой маслянистую с характерным запахом жидкость желтого, синего или оранжевого цвета (в зависимости от сорта) с массовым содержанием ТЭС 54 — 57%. Количество этиловой жидкости, добавляемой в автомобильные бензины, не должно превышать 0,82 г на 1 кг бензина.

Использование ТЭС вызывает ряд отрицательных явлений:

1. ТЭС является сильным, стойким ядом, оказывающим комп­лексное токсическое действие на организм человека.

2 . Применение выносителя не обеспечивает полного удаления свинца из камеры сгорания, вследствие чего при работе на этилированных топливах наблюдается повышенное нагарообразование. Накопление нагара вызывает дальнейшее повышение требо­ваний двигателя к ОЧ топлива (рис. 3.24) и увеличивает вероятность возникновения калильного зажигания.

3. Выноситель обладает мень­шей температурой кипения, чем ТЭС. Вследствие этого во впуск­ном тракте происходит их фракционное разделение — боль­шая часть выносителя оказывается в газовой фазе, ТЭС — в жидкой пленке на стенках впускного трак­та. В результате в одни цилиндры поступает смесь с избытком ТЭС и недостатком выносителя (воз­можно усиленное образование отложений в камере сгорания), в другие — с избытком выносителя и недостатком ТЭС (возможно воз­никновение детонации в этих цилиндрах).

4. ТЭС имеет температуру кипения, приблизительно равную t_к.к. современных бензинов (200 С) и относительно низкое давление насыщенных паров (40 Па при 20 °С) поэтому содержание ТЭС в жидкой фазе (а следовательно, и ее ОЧ) больше, чем в паровой. Это снижает ФОЧ топлива в отдельных цилиндрах двигателя из-за фракционирования во впускном трубопроводе.

5. Галоидноорганические выносители, а, следовательно, и содер­жащие их этилированные топлива обладают повышенной кор­розионной агрессивностью, особенно сильно проявляющейся в присутствии воды. Поэтому при длительном хранении двигателей, работавших на этилированном топливе, должны использоваться консервационные масла.

6. ТЭС подвержен окислению кислородом воздуха. Образу­ющиеся при этом продукты (белый осадок) нерастворимы в бензине (засорение фильтров) и служат катализаторами, ускоряющими даль­нейшее разложение ТЭС.

7. Наличие в топливе сернистых соединений снижает эффективность действия ТЭС. В камере сгорания свинец с серой обра­зуют прочный сульфид PbS, исключающий свинец из механизма цепных реакций. При хранении топлива также образуются сернистые соединения свинца, выпадающие в виде хлопьевидных осадков. При этом концентрация ТЭС в топливе уменьшается.

8. Для уменьшения количества вредных веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами, в выпускном тракте некоторых современных ДВС устанавливают каталитические нейтрализаторы. Продукты сгорания ТЭС выводят из строя катализатор, применяе­мый в этих нейтрализаторах.

9. ТЭС обладает сравнительно невысокой термической стабильно­стью, вследствие чего эффективность его использования в форсированных двигателях с большой степенью сжатия, применя­ющих высокоароматизированные топлива, снижается. Это объясня­ется тем, что в более жестких температурных условиях ТЭС разлагается слишком рано, еще до образования достаточного количе­ства гидроперекисей. В результате часть образующих активных радикалов расходуется непроизводительно, не обрывая цепей предпламенных реакций.

Поэтому в качестве антидетонаторов для вы­сокооктановых ароматизированных топлив используют тетраметилсвинец (ТМС) Pb(СН₃)₄. Это вещество обладает по сравнению с ТЭС большей термической устойчивостью. Другим преимуществом ТМС по сравнению с ТЭС является более низкая температура кипения и более высокое давление насыщенных паров. Благодаря этому устраняется третий и четвертый недостатки ТЭС в вышеприведенном перечне. ТМС применяют вместо ТЭС в топливах, содержащих свыше 30 % ароматических углеводородов.

Из других видов антидетонаторов наиболее перспективны марганецсодержащие соединения. Кроме повышения ОЧ эти соединения обеспечивают увеличение полноты сгорания и соответственно снижение токсичности отработавших газов по продуктам неполного сгорания. Эффективными марганецсодержащими антидетонаторами являются циклопентадиенилтрикарбонил марганца (ЦТМ) С₅Н₅Мn(СО)з, пентакарбонил марганца Мn(СО)₅ и метилциклопентадиэтилкарбонил марганца (МЦКМ) С₆Н₇Мп(СО)з.

Основным недостатком, препятствующим широкому внедрению марганецсодержащих антидетонаторов, являются особенности образу­емого ими нагара: он вызывает интенсивное калильное воспламе­нение от тлеющих частиц и обладает способностью замыкать электроды свечей зажигания. В настоящее время ведутся работы по созданию соответствующих преобразователей нагара. В перспективе рассматривается возможность использования в качестве антидетонатора одного из соединений церия (2,2,6,6-тетраметил-3,5-геп-тадитионат церия). Предварительные исследования показали его высокую эффективность.

Комплексные антидетонаторы. Для уменьшения содержания в бензине металлосодержащих антидетонаторов возможно использование комплексных антидетонаторов, представляющих собой смесь (раст­вор) металлосодержащего антидетонатора с высокооктановыми синтетическими углеводородными веществами, например, раствор марганцевого антидетонатора в экстралине.

Определение октановых чисел, ОЧМ и ОЧИ, автомобильных бензинов определяют методами лабораторных испытаний. ФОЧ — квалификационными методами испытаний и дорожными испы­таниями.

Для определения ОЧМ и ОЧИ автомобильных бензинов* приме­няют одноцилиндровый лабораторный двигатель с переменной сте­пенью сжатия в диапазоне от 5 до 10. При определении детонационной стойкости изменяют степень сжатия до получения на испытуемом топливе стандартной интенсивности детонации, замеря­емой по указателю детонации. Затем приступают к сравнению испы­туемого топлива со смесями эталонных топлив (смесь изооктана с нормальным гептаном). Сравнение заключается в подборе двух сме­сей эталонных топлив, различающихся между собой не более чем на две октановые единицы, из которых одна смесь детонирует сильнее, а другая — слабее, чем образец топлива, подлежащий испы­танию. Если необходимо определить ОЧ топлива, превышающие 100 единиц, то в качестве эталонной смеси применяют изооктан с различным содержанием ТЭС. Добавка 0,49 мл ТЭС на 1 кг изоо­ктана увеличивает ОЧ топлива до 110 единиц.

Методы определения ОЧИ и ОЧМ отличаются различными режимами работы лабораторного двигателя. При определении ОЧИ частота вращения коленчатого вала двигателя принимается (600±6) мин^-1; при определении ОЧМ — (900±10) мин^-1. Кроме того, при определении ОЧМ топливно-воздушную смесь после карбюратора подогревают до температуры (149±1) °С. Эти отличия приводят к тому, что для одного и того же бензина ОЧИ > ОЧМ.

ФОЧ автомобильных бензинов определяют путем стендовых и дорожных испытаний. Характеристики снимают при работе двигателя на заданном бензине и на смесях эталонных топлив: изооктана и нормального гептана. Применяют смеси с содержанием изооктана 100; 95; 90; 85; 75; 65; 60; 55 % (об.).

Контрольные вопросы

1. Почему регулирование зажигания на бездетонационную работу двигателя выполня­ют при резком открытии дроссельной заслонки? 2. Как влиобТ износ цилиндропоршненой [руины на требования двигателя к ОЧ топлива? 3. Почему в некоторых образцах двигателей в цилиндр устанавливают две свечи зажигании? 4. Как отличить этилироваиныи бензн от неэтилированного? 5. Почему ресурс свечей зажигания уменьшается при использовании этилированного бензина? 6. Какими эксплуатационными способами можно уменьшить вероятность возникновении детонации?

§ З.З.Самовоспламеняемость топлив

Температурой самовоспламенения (теплового самовоспламе­нения) называют такую минимальную температуру, при которой увеличение скорости протекающих в топливе экзотермических реакций приводит к интенсивному саморазогреванию смеси и пламенному горению при отсутствии постороннего источника воспламенения.

Температура самовоспламенения одного и того же топлива непостоянна — она определяется скоростями тепловыделения и теплоотвода, которые применительно к дизелям зависят от объема и формы камеры сгорания, условий распыла топлива, давления и ряда других условий. Например, температура самовоспламенения при дав­лениях 0,1; 1,5 и 2,0 МПа соответственно в среднем равна для дизельного топлива 450, 240 и 205°С; для бензина 480, 310 и 280 °С. Для однозначной количественной оценки и нормирования самовосп­ламеняемости дизельных топлив стандартизирован соответствующий показатель — цетановое число (ЦЧ).

Цетановое число — условная единица измерения самовоспламе­няемости топлива, численно равная процентному (по объему) содер­жанию цетана С₁₆Н₃₄ в его смеси с альфа-метилнафталином С₁₁Н₁₀ в эталонной смеси (эталонном топливе), эквивалентной по самовоспламеняемости испытуемому топливу при стандартных условиях испытания. Цетан обладает хорошей самовоспламеняемостью; его самовоспламеняемость принимают за 100 единиц, альфа-метилнафталин — плохой; его самовоспламеняемость принимают за нуль. Варьируя содержание указанных компонентов в эталонной смеси, можно изменять ее самовоспламеняемость от 100 до 0. Например, если самовоспламеняемость исследуемого топлива равна самовоспламеняемость эталонной смеси, имеющей ЦЧ 45 (с содержанием цетана 45% и альфа-метилнафталина 65 %), то у обоих топлив ЦЧ одинаковы и ЦЧ исследуемого топлива равно 45.

Чем больше ЦЧ топлива, тем лучше его самовоспламеняемость. От ЦЧ топлива зависят длитель­ность периода задержки воспламенения (рис. 3.25), скорость нара­стания давления (рис. 3.26) и максимальное давление в камере сгорания (рис. 3.27), т.е. основные параметры, характеризующие рабочий процесс дизеля.

При низких цетановых числах в дизелях увеличивается задержка воспламенения, в результате чего к моменту воспламенения большое количество топлива находится в состоянии готовности к сгоранию (в виде гомогенной топливно-воздушной смеси) и сокращается время, отводимое на собственно сгорание топлива. Следствием этого явля­ется жесткость работы двигателя, а также неполное сгорание топлива, в результате чего снижаются мощностные и экономические показатели двигателя, увеличивается удельный расход топлива, износ, шумность и токсичность отработавших газов (рис. 3.28).

С ростом частоты вращения коленчатого вала и понижением температуры запуска ЦЧ используемого топлива должно увеличиваться. Выбор оптимального значения ЦЧ определяется сле­дующими положениями: наибольший эффект на снижение задержки воспламенения оказывает повышение ЦЧ до 45 —50. Дальнейшее увеличение ЦЧ практически не влияет на задержку воспламенения. Это объясняется тем, что для процесса горения лимитирующим ус­ловием становится не время протекания химических реакций, а время, необходимое для образования горючей смеси (испарение топлива и диффузия его паров).

При значительном увеличении ЦЧ (70 и выше) наблюдается потеря мощности, экономичности (рис. 3.29) и дымление дизеля. Это объясняется тем, что такие топлива, обладая малой задержкой вос­пламенения, быстро сгорают в непосредственной близости от фор­сунки. Остальное впрыскиваемое топливо попадает не в воздух, а в высокотемпературные продукты сгорания. В результате в камере сго­рания образуются зоны переобогащенной (в районе форсунки) и переобедненной (в периферийных, районах) смесей. В первой зоне образуются продукты неполного сгорания (сажа). Наличие второй зоны обусловливает неполное использование заряда (объема камеры сгорания) и, следовательно, снижение мощности и экономичности двигателя. Увеличение ЦЧ повышает стоимость топлива.

Изложенные обстоятельства показывают, что для нормальной работы двигателя необходимы топлива с оптимальным ЦЧ, которое для быстроходных двигателей принимают равным 45 —50. С увеличением ЦЧ пуск двигателя облегчается (рис. 3.30). Поэтому верхний предел ЦЧ для зимних и арктических топлив принимают в диапазоне 55 — 60.

ЦЧ топлива зависит от количества атомов углерода в молекулах (фракционного состава топлива) и их строения (группового состава топлива). Чем больше молярная масса углеводорода, тем при прочих равных условиях выше его ЦЧ (рис. 3.31).

Наименьшим ЦЧ обладают ароматические углеводороды (ЦЧ бициклических ароматических углеводородов приближается к нулю, рис. 3.32), поэтому присутствие их в дизельных топливах нежела­тельно. Затем в порядке повышения ЦЧ находятся изоалканы, нафтены

и непредельные углеводороды. Наибольшими ЦЧ обладают алканы нормального строения. Варьируя групповой состав топлива, можно регулировать его ЦЧ. В ряде случаев оказывается пред­почтительным повышать ЦЧ путем введения соответствующих приса­док. В качестве таких присадок используют окислители, содержащие непрочно связанный кислород, выделяющийся в активном состоянии при температуре сжатия в ДВС, например нитроалканы (этил,

пропил, амилнитраты), производные азотной и органических кислот и др. (рис. 3.33). Недостатками этих присадок являются низкая стабильность при хранении, ускорение образования отложений в двигателе и повышение пожароопасности дизельных топлив. Присадки добавляют в количестве до 1 %.

Пусковые свойства дизельных топлив при низких температурах определяются их дизельным индексом (ДИ). Для высокооборотных дизелей ДИ обычно близок к 74, для среднеоборотных и больших тихоходных дизелей ДИ равен примерно 40. Чем выше ДИ, тем больше ЦЧ и испаряемость топлива.

Стандартный метод определения ЦЧ — это сравнительные лабо­раторные испытания исследуемого топлива и эталонной смеси в ла­бораторном одноцилиндровом двигателе с переменной в пределах 6,8 — 23,5 степенью сжатия в одинаковых стандартных условиях. При испытаниях подбирают такую эталонную смесь, чтобы ее период задержки воспламенения равнялся задержке воспламенения исследу­емого топлива. В этом случае самовоспламеняемость исследуемого топлива и эталонной смеси принимают равными.

При испытаниях ЦЧ определяют методом совпадения вспышек неоновых ламп индикаторов впрыска и воспламенения, установлен­ных на лабораторном двигателе. Сущность этого метода заключается в том, что подбираются два таких состава эталонной смеси, один из которых дает совпадение показаний индикаторов впрыска и вос­пламенения (совпадение вспышек неоновых ламп) при большей сте­пени сжатия, чем степень сжатия, полученная при совпадении вспышек на испытуемом топливе, а другой — при меньшей степени сжатия. Эталонные смеси при этом не должны различаться между собой более чем на четыре цетановые единицы. Испытания проводят трехкратно.

Многотопливные двигатели. Влияние предпламенных процессов на ЦЧ и ОЧ топлива противоположно. Это следует из физических условий горения в дизелях и в двигателях с принудительным восп­ламенением и подтверждается экспериментальными данными, соглас­но которым между ЦЧ и 04 (ОЧИ и ОЧМ) имеется зависимость:

ЦЧ = (55 ±5) —0,45 ОЧМ;

ЦЧ = (60 ±5) —0,5 ОЧИ.

Создание многотопливного двигателя, который может работать как на бензинах (топливах с высоким ОЧ и низким ЦЧ), так и на дизельных топливах (с низким ОЧ и высоким ЦЧ), возможно путем искусственной интенсификации предпламенных процессов в дизеле для сокращения времени их протекания. Это может решаться, в частности, путем повышении степени сжатия, подогрева воздуха на впуске, наддува, повышения температуры стенок камеры сгорания и пр. Например, применение жаропрочных наладок на днище поршни повышает их температуру на 160— 240°С по сравнению с исходным образцом опытного двигателя. При этом топливо с заниженным ЦЧ ведет себя ана­логично высокоцетановому (? высокооктановому).

Введение в бензин присадок, уве­личивающих самовоспламеняемость топ­лив (цетановое число) позволяет использовать их в качестве дизельного топлива.

Применение в дизеле принудительного воспламенения позволяет использовать низкоцетановые топлива. Основной зада­чей, решаемой в этом случае, является обеспечение стабильного воспламенения смеси. Для этого требуется согласование момента зажигания с условиями фор­мирования топливовоздушной смеси в районе свечи, которые зависят в первую очередь от характеристик факела распыла форсунки, распределения и интенсивности газовых вихрей в камере сгорания, а так­же от температурного и мощностного режимов работы двигателя. Этот принцип реализован в процессе FM фирмы MAN (рис. 3.34) и в дизелях фирмы «Дейтц» рис. 3.35). В дизеле фирмы MAN используется специальная свеча с длинными электродами. Для направления на свечу потока рабочей смеси в стенке камеры выполнена канавка.

В дизеле фирмы «Дейтц» свеча 2 установлена в непосредственной близости от форсунки 1 и экранирована от прямого попадания ка­пель топлива цилиндрическим кожухом с двумя окнами. Топливо, попадающее на кожух, испаряется, его пары смешиваются с возду­хом, проникают внутрь кожуха и воспламеняются. Испытания двига­телей, работающих по этому принципу, показали возможность объединить в одном двигателе преимущества дизеля и двигателя с принудительным воспламенением.

Контрольные вопросы

1. Перечислите недостатки, связанные с использованием в двигателе топлив со слишком низкими и избыточно высокими ЦЧ. 2. Как влияет ЦЧ топлива на механические нагрузки, действующие на кривошииношатунный механизм? 3. Что нужно делать при повышенном «дымлении» дизеля? 4. Почему бензины обладают низким ЦЧ? 5. Какие свойства топлива определяют дизельным индексом? 6. Чему равно цетановое число эталон­ной смеси, содержащей 53 % альфа-метилнафталина?